KR20120112778A - 고체 촬상 장치, 화소 신호를 독출하는 방법, 화소 - Google Patents

고체 촬상 장치, 화소 신호를 독출하는 방법, 화소 Download PDF

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KR20120112778A
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쇼지 가와히토
케이타 야스토미
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고쿠리츠 다이가꾸 호우진 시즈오까 다이가꾸
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Abstract

화소(11)에서는 부유 반도체 영역 FD는 광전 변환 소자 PD로부터의 전하를 축적한다. 제1의 전하 전송 경로 CTP1은 광전 변환 소자 PD로부터 축적 다이오드 SD를 통해 부유 반도체 영역 FD에 이른다. 제2의 전하 전송 경로 CTP2는 광전 변환 소자 PD로부터 상기 부유 반도체 영역에 이른다. 출력부 AMP는 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전위에 따른 신호를 제공한다. 제1의 전하 전송 경로 CTP는 광전 변환 소자 PD로부터의 전하의 전송을 제어하는 제1의 셔터 스위치 TR(GS1)와, 광전 변환 소자 PD로부터의 전하를 축적하는 축적 다이오드 SD와, 축적 다이오드 SD로부터 부유 반도체 영역 PD에의 전하 전송을 제어하는 전송 스위치 TR(TF1)를 포함하고, 제2의 전하 전송 경로 CTP는 광전 변환 소자 PD로부터의 전하의 전송을 제어하는 셔터 스위치 TR(GS2)를 포함한다.

Description

고체 촬상 장치, 화소 신호를 독출하는 방법, 화소{SOLID-STATE IMAGE PICKUP DEVICE, METHOD OF READING PIXEL SIGNAL, AND PIXEL}
본 발명은, 고체 촬상 장치, 화소 신호를 독출하는 방법, 및 화소에 관한 것이다.
특허 문헌 1의 이미지 센서는 글로벌(global)(전화소 동시) 전자 셔터(shutter), 리셋(reset) 잡음 제거의 기능을 가진다. 이 전화소 동시 전자 셔터 기능을 가지는 이미지 센서에서는 이미지 센서의 일부에 CCD 구조가 이용되고 있다. 또, 전하를 보유하기 위해서 매립형의 MOS 캐패시터를 이용하여 낮은 암전류를 제공하고 있다.
특허 문헌 2 및 3에서는 CMOS 이미지 센서가 기재되어 있다. 이들 이미지 센서는 CCD 구조를 이용하지 않고 , 전하를 보유하기 위해서 매립형 축적 다이오드를 사용한다. 이 CMOS 이미지 센서에서는 셔터 게이트(gate)의 제어에 의해 포토다이오드와 축적 다이오드의 2개의 다이오드에서 전하가 공유(share)된다. 이 전하의 공유에 의해 포토다이오드에서 발생한 전하의 일부가 축적 다이오드로 이동하는 동작을 이용하여 전자 셔터 동작을 제공하고 있다. 특허 문헌 4에 기재된 CMOS 이미지 센서를 위한 화소의 광검출기의 영역은 그 센터에 대해서 대칭성을 가지도록 배치된다.
비특허 문헌 1의 MOS 이미지 센서에서는 화소 내에서 합성을 행하여 구분적 선형의 넓은 다이내믹 레인지(dynamic range)를 실현하고 있다. 또, 비특허 문헌 2의 MOS 이미지 센서에서는 선형 응답/대수 응답을 조합하여 넓은 다이내믹 레인지를 실현하고 있다.
일본국 특허공개 2004－111590호 공보 일본국 특허공개 2008－103647호 공보 미국 특허 7361877호 미국 특허 5986297호
T. Yamada, S. Kasuga, T. Murata, Y. Kato, "A 140dB Dynamic-Range MOS Image Sensor with In-Pixel Multiple-Exposure Synthesis", IEEE International Solid-State Circuits Conference, pp. 50-51, February 2008. N. Bock, A. Krymski, A. Sarwari et al., "A Wide-VGA CMOS Image Sensor with Global Shutter and Extended Dynamic Range," IEEE Workshop on Charge Coupled Devices and Advanced Image Sensors, pp. 222-225, Jun. 2005.
특허 문헌 3에 있어서의 화소에서는, 포토다이오드로부터 축적 다이오드로 전하를 완전하게 전송하기 위해서, 2개의 매립 다이오드의 공핍화 전위(전위 웰(well))의 차를 크게 하는 것이 요구된다. 축적 다이오드에 축적되는 전하 용량을 충분한 크게 하기 위해서, 특허 문헌 3의 화소에서는 높은 전원 전압을 이용한다. 또, 화소 내의 포토다이오드에서 발생한 전하를 포토다이오드와 축적 다이오드에서 공유하고, 그 때에 축적 다이오드로 이동한 전하를 이용하여 전자 셔터 기능을 제공하고 있다. 이런 이유로 광으로 발생한 전하의 일부가 포토다이오드에 잔류하고, 이 잔류 전하가 드레인(drain)으로 배출된다. 이것은 CMOS 이미지 센서의 감도를 저하시킨다.
또, 특허 문헌 2에서는, 저비용으로 제조 가능하고 신호 전하의 완전 전송을 실현 가능한 반도체 소자를 제공하고, 또한 이 반도체 소자를 화소로서 복수개 배열하여 높은 공간 해상도를 가지는 고체 촬상 장치를 제공한다.
특허 문헌 1은, 블루밍(blooming) 현상이나 의사 블루밍 현상에 의해 생기는 불요 전하의 영향을 억제하는 것을 목적으로 한다. 특허 문헌 1의 화소는, 게이트 하의 n형 매립층만을 이용하여 전하의 축적을 행하므로, 이 n형 매립층의 불순물 밀도를 충분히 높게 할 필요가 있다. 또한, n형 매립층의 표면을 정공(hole)으로 채워 그 피닝 효과(peening effect)에 의해 암전류를 저감시킨다. 이를 위해 게이트에 큰 부전압을 인가한다. 이것은 화소 어레이의 주변 회로에 부담으로 된다.
특허 문헌 1에서는, CCD 구조를 이용하는 이미지 센서에 있어서 글로벌 전자 셔터 기능이 제공되지만, CMOS 이미지 센서에 있어서는, 롤링 셔터(rolling shutter) 동작이 기본이다. 이런 이유로 글로벌 전자 셔터 기능을 가지는 이미지 센서가 요구되고 있다. 또한, CMOS 이미지 센서에 있어서 글로벌 전자 셔터와 그 고성능화에는 강한 요구가 있다. 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다.
본 발명은, 다중화된 글로벌 셔터의 동작이 가능한 고체 촬상 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고, 또 어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이로부터 화소 신호를 독출하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고, 또한 다중화된 셔터의 동작이 가능한 화소를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 측면과 관련되는 고체 촬상 장치는, (a) 어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이와, (b) 상기 화소를 제어하기 위한 제1, 제2, 제3의 제어 신호를 생성하는 제어 회로와, (c) 상기 화소 어레이로부터의 제1 및 제2의 화소 신호를 한 프레임에 있어서 독출하는 독출 회로와, (d) 상기 독출 회로로부터의 신호를 처리하는 신호 처리부를 구비한다. 각 화소의 화소 회로는 받은 광으로부터 전기 신호를 생성하는 광전 변환 소자와, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 부유 반도체 영역과, 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제1의 전하 전송 경로와, 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제2의 전하 전송 경로와, 상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전위에 따른 신호를 제공하는 출력부를 포함한다. 상기 제1 및 제2의 전하 전송 경로의 일방은, 상기 제1의 제어 신호에 응답하여 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제1의 셔터 스위치와, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제1의 축적 다이오드와, 상기 제2의 제어 신호에 응답하여 상기 제1의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제1의 전송 스위치를 포함한다. 상기 제1 및 제2의 전하 전송 경로의 타방은, 상기 제3의 제어 신호에 응답하여 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제2의 셔터 스위치를 포함한다. 상기 제1의 화소 신호는, 상기 제1의 전하 전송 경로를 통해 상기 부유 반도체 영역에 전송된 제1의 전송 전하에 대응한다. 상기 제2의 화소 신호는, 상기 제2의 전하 전송 경로를 통해 상기 부유 반도체 영역에 전송된 제2의 전송 전하에 대응한다.
이 고체 촬상 장치에 의하면, 각 화소는, 광전 변환 소자로부터 부유 반도체 영역에 이르는 제1 및 제2의 전하 전송 경로를 가지고, 제1의 전하 전송 경로는 제2의 전하 전송 경로와 다르다. 예를 들면, 제1 및 제2의 전하 전송 경로는 각각 제1 및 제2의 셔터 스위치를 포함한다. 일방의 전송 경로에 있어서, 광전 변환 소자로부터의 전하는 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적될 수가 있다. 이런 이유로 개개의 전송 경로 상의 셔터 스위치는, 전하의 전송에 관해서 서로 간섭하는 일 없이, 화소 어레이에 있어서 다중화된 글로벌 셔터의 동작을 가능하게 한다.
화소의 출력부는, 부유 반도체 영역에 있어서의 전위에 따른 신호를 제공한다. 출력부는, 제1의 전하 전송 경로를 통해 부유 반도체 영역에 전송된 제1의 전송 전하에 응답하여 제1의 화소 신호를 제공하고, 제2의 전하 전송 경로를 통해 부유 반도체 영역에 전송된 제2의 전송 전하에 응답하여 제1의 화소 신호를 제공한다. 독출 회로는 제1 및 제2의 화소 신호를 따로 따로 받는다. 신호 처리부는, 독출 회로로부터의 신호에 고기능화를 위한 처리를 실시할 수가 있다.
본 발명의 다른 측면과 관련되는 발명은, 어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이로부터 화소 신호를 독출하는 방법이다. 이 방법은, (a) 상기 화소 어레이에 있어서의 화소의 각각에 있어서의 광전 변환 소자를 이용하여 프레임 기간 내의 제1의 축적 기간에 제1의 전하 축적을 행하고, (b) 상기 제1의 전하 축적에 있어서의 전하를 상기 화소에 있어서의 제1의 전하 전송 경로를 통해 상기 화소에 있어서의 부유 반도체 영역에 전송하기 위해서, 이 전하를 상기 제1의 전하 전송 경로 내의 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적하고, (c) 상기 광전 변환 소자를 이용하여 상기 프레임 기간 내의 제2의 축적 기간에 제2의 전하 축적을 행하고, (d) 상기 화소에 있어서의 제2의 전하 전송 경로를 통해 상기 제2의 전하 축적에 있어서의 전하를 상기 부유 반도체 영역에 전송함과 아울러, 상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전송 전하량에 따른 화소 신호를 칼럼선(column line)에 제공하고, (e) 상기 칼럼선 상의 상기 화소 신호를 독출하고, (f) 상기 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적된 전하를 상기 부유 반도체 영역에 전송함과 아울러, 상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전송 전하량에 따른 다른 화소 신호를 칼럼선에 제공하고, (g) 상기 칼럼선 상의 상기 다른 화소 신호를 독출하고, (h) 상기 화소 신호 및 상기 다른 화소 신호를 처리하는 것을 구비한다.
이 방법에 의하면, 화소는, 한 프레임 내의 제1 및 제2의 축적 기간에 각각 제1 및 제2의 전하 축적을 행한다. 제1의 전하 축적에 있어서의 전하를 부유 반도체 영역에 전송하기 위해서, 이 전하를 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적한다. 이 축적 기간 중에, 제2의 전하 전송 경로를 통해 제2의 전하 축적에 있어서의 전하를 부유 반도체 영역에 전송함과 아울러, 이 전송 전하량에 따른 부유 반도체 영역의 전위를 나타내는 제2의 화소 신호를 칼럼선에 제공한다. 이 후에 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적된 전하를 부유 반도체 영역에 전송함과 아울러, 이 전송 전하량에 따른 부유 반도체 영역의 전위를 나타내는 다른 화소 신호를 칼럼선에 제공한다. 이들 전송에 있어서, 일방의 전송 경로를 이용하는 전송 시에 광전 변환 소자로부터의 전하는 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적됨과 아울러, 이 일시적인 축적을 이용하여 타방의 전송 경로를 이용하여 전하 전송을 행한다. 이런 이유로 제1 및 제2의 축적 기간에 각각 제1 및 제2의 전하 축적은 전하의 전송에 관해서 서로 간섭하는 일 없이, 화소 어레이에 있어서 다중화된 글로벌 셔터의 동작을 가능하게 한다.
또, 다른 시각에 칼럼선 상에 제공되는 화소 신호 및 다른 화소 신호를 각각 독출하고, 이들 독출된 신호에 고기능화를 위한 처리를 실시할 수가 있다.
본 발명의 또 다른 측면과 관련되는 화소는, (a) 받은 광으로부터 전기 신호를 생성하는 광전 변환 소자와, (b) 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 부유 반도체 영역과, (c) 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제1의 전하 전송 경로와, (d) 상기 제1의 전하 전송 경로와 다르고 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제2의 전하 전송 경로와, (e) 상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전위에 따른 신호를 제공하는 출력부를 포함한다. 상기 제1의 전하 전송 경로는, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제1의 셔터 스위치와, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제1의 축적 다이오드와, 상기 제1의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제1의 전송 스위치를 포함한다. 상기 제2의 전하 전송 경로는, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제2의 셔터 스위치를 포함한다. 상기 제1의 셔터 스위치는, 상기 광전 변환 소자와 상기 제1의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속된다. 상기 제1의 전송 스위치는, 상기 제1의 축적 다이오드의 상기 일단과 상기 부유 반도체 영역의 사이에 접속된다. 이 화소에 의하면 다중화된 셔터의 동작이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 상기 제2의 전하 전송 경로는, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제2의 축적 다이오드와, 상기 제2의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제2의 전송 스위치를 포함할 수가 있다. 상기 제2의 셔터 스위치는, 상기 광전 변환 소자와 상기 제2의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속된다. 상기 제2의 전송 스위치는 상기 부유 반도체 영역과 상기 제2의 축적 다이오드의 상기 일단과의 사이에 접속된다. 이 화소에 의하면 다중화된 셔터의 동작이 제공됨과 아울러, 제1 및 제2의 축적 다이오드를 이용하여 낮은 잡음의 2개의 화소 신호가 얻어진다. 이런 이유로 예를 들면 낮은 조도에 있어서도 정확한 차분 화상이나 2매의 초고속 화상의 취득이 가능하게 된다.
이상 설명한 것처럼, 본 발명의 한 측면에 의하면 다중화된 글로벌 셔터의 동작이 가능한 고체 촬상 장치를 제공할 수 있다. 또, 다른 측면에 의하면 어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이로부터 화소 신호를 독출하는 방법을 제공할 수 있다. 또한, 또 다른 측면에 의하면 다중화된 셔터의 동작이 가능한 화소를 제공할 수 있다.
도 1은 고체 촬상 장치의 블록 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 고체 촬상 장치를 위한 화소의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 화소의 디바이스 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 화소의 구동 타이밍의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시의 형태와 관련되는 고체 촬상 장치를 위한 칼럼 신호 처리 회로의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 실시의 형태와 관련되는 고체 촬상 장치를 반도체 집적 소자로서 실현한 반도체 칩을 나타내는 도면이다.
도 7은 프로토타입(prototype) 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서의 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 이미지 센서에 채용된 화소로 측정된 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 SD 신호 및 FD 신호와 관련되는 화상을 나타내는 도면이다.
도 10은 글로벌 셔터 또한 선형 응답의 넓은 다이내믹 레인지 촬상에 의한 화상을 나타내는 도면이다.
도 11은 움직임 검출을 위한 화상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 고정밀도 듀얼 셔터(dual shutter)의 이용에 의한 화상예를 나타내는 도면이다.
도 13은 트리플 셔터(triple shutter) 기능을 가지는 화소예를 나타내는 도면이다.
도 14는 화소로부터 화소 신호를 독출하는 방법의 주요한 스텝을 나타내는 도면이다.
본 발명의 지견은 예시로서 나타난 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 기술을 고려함으로써 용이하게 이해할 수 있다. 이어서 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 고체 촬상 장치, 어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이로부터 화소 신호를 독출하는 방법, 및 다중화된 셔터의 동작이 가능한 고체 촬상 장치를 위한 화소와 관련되는 실시의 형태를 설명한다. 가능한 경우에는 동일한 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
다중화된 셔터의 동작이 가능한 화소 회로를 이용하는 고체 촬상 장치를 설명한다. 고체 촬상 장치는, 증폭 기능을 가지는 화소와 그 화소의 주변에 배치된 주사 회로를 가지고, 그 주사 회로에 의해 화소로부터 화소 데이터를 독출한다. 고체 촬상 장치의 일례는, 화소와 그 주변의 구동 회로 및 신호 처리 회로와의 집적화에 유리한 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)에 의해 구성된 이미지 센서이다. 이 이미지 센서에 있어서의 화소의 일례는, 고화질을 실현할 수 있는 구조의 트랜지스터, 포토다이오드 및 축적 다이오드를 포함한다. 트랜지스터는 예를 들면 MIS형, MOS형일 수가 있다. 또, 매립형 다이오드를 이용함으로써 낮은 누설(leak) 전류를 달성할 수 있다.
도 1은 2차원 이미지 센서라고 하는 고체 촬상 장치의 블록 구성을 나타내는 도면이다. 고체 촬상 장치(1)는 화소 어레이(3), 칼럼 신호 처리부(5), 제어 회로(7) 및 신호 처리부(9)를 포함한다. 고체 촬상 장치(1)에서는, 화소(11)는 매트릭스 형상으로 배치되어 화소 어레이(3)를 구성하고 있다. 화소(11)는 칼럼 신호선 C에 접속되어 있고, 이들 화소(11)는 칼럼 배열을 구성한다. 제어 회로(7)는 행(row) 디코더(decoder) 회로(13) 및 행 구동 회로(14)를 포함한다. 행 디코더 회로(13)에 의해 각 화소의 행으로부터 특정의 행이 선택된다. 행 구동 회로(14)는 구동선(12)에 구동 신호를 제공한다. 구동선(12)은, 예를 들면, 복수의 셔터 스위치 구동선(도 1의 화소 회로에서는, 제1 및 제2의 셔터 트랜지스터 구동선 GS1, GS2), 하나 또는 복수의 전송 스위치 구동선(도 1의 화소 회로에서는, 전송 트랜지스터 구동선 TX(i)), 리셋 스위치 구동선(도 1의 화소 회로에서는, 리셋 트랜지스터 구동선 RFD(i)), 행 선택 스위치 구동선(도 1의 화소 회로에서는, 행 선택 트랜지스터 구동선 RS(i)) 및 축적 시간 제어 스위치 구동선(도 1의 화소 회로에서는, 축적 시간 제어 트랜지스터 구동선 RPD)을 나타내고 있다. 제어 회로(7)는 복수의 블록으로 나뉘어져 화소 어레이(3)의 주변에 배치될 수가 있다. 고체 촬상 장치(1)는 타이밍 생성 회로(10)를 포함할 수가 있고, 이 생성 회로(10)는 당해 장치(1)에 포함되는 회로의 동작 타이밍을 제어하기 위한 제어 신호, 클록 신호등을 생성한다.
화소(11)는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 광전 변환 소자(11a)와 화소 회로(11b)를 가진다. 광전 변환 소자(11a)는 예를 들면 포토다이오드를 포함할 수가 있다. 광전 변환 소자(11a)는 받은 광 L을 전기 신호로 변환한다. 화소 회로(11b)는 이 광전 변환 소자(11a)로부터의 신호 S(ph)에 증폭을 행하여 화소 신호 S(pixel)를 제공한다. 화소(11)의 화소 회로(11b)는 부유 반도체 영역 FD와, 복수의 전하 전송 경로(예를 들면, 제1 및 제2의 전하 전송 경로 CTP1, CTP2)와, 출력부 AMP를 포함한다. 복수의 전하 전송 경로 CTP1, CTP2는 서로 다르다. 부유 반도체 영역 FD는 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하를 축적한다. 출력부 AMP는 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전위(pn접합의 공핍층 캐패시터 CFD에 의해 보유되는 전위)에 따른 신호를 제공한다. 제1의 전하 전송 경로 CTP1 및 제2의 전하 전송 경로 DTP2는 광전 변환 소자(11a)로부터 부유 반도체 영역 FD에 이른다. 제1의 전하 전송 경로 CTP1은 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하의 전송을 제어하는 제1의 셔터 스위치 TR(GS1)를 포함한다. 제2의 전하 전송 경로 CTP2는 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하의 전송을 제어하는 제2의 셔터 스위치 TR(GS2)를 포함한다. 이 화소(11)에 의하면 다중화된 셔터의 동작이 제공된다. 제1의 전하 전송 경로 CTP1은 제1의 셔터 스위치 TR(GS1)에 더하여 제1의 축적 다이오드 SD를 포함하고, 축적 다이오드 SD는 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하를 축적한다. 광전 변환 소자(11a)로 생성된 전하는 제1 및 제2의 전하 전송 경로 CTP1, CTP2의 어느 것인가의 경로를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송된다. 이 전송을 동시에 행할 수가 없기 때문에, 제1의 전하 전송 경로 CTP1은 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하를 일시적으로 축적하는 축적 다이오드 SD를 포함한다. 제1의 셔터 스위치 TR(GS2)는 제1의 제어 신호 GS1에 응답하여 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하의 전송을 제어한다. 제1의 전송 스위치 TR(TF1)는 제2의 제어 신호 TX(i)에 응답하여 제1의 축적 다이오드 SD로부터 부유 반도체 영역 FD로의 전하 전송을 제어한다. 제2의 셔터 스위치 TR(GS2)는 제3의 제어 신호 GS2에 응답하여 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하의 전송을 제어한다. 제어 회로(7)는 화소(11)를 제어하기 위한 제어 신호 GS1, TX(i), GS2를 생성하고, 이들 제어 신호는 구동선(12)을 통해 화소(11)에 공급된다. 광전 변환 소자(11a)의 일단에는 스위치 TR(RPD)가 접속되고, 스위치 TR(RPD)는 노광 시간을 규정하기 위해서 사용된다.
본 실시예에서는, 화소 회로(11b)내의 스위치는, 예를 들면 트랜지스터에 의해 구성된다. 제1의 전하 전송 경로 CTP1에서는, 제1의 셔터 스위치 TR(GS1)는 트랜지스터로 이루어지고, 광전 변환 소자(11a)와 제1의 축적 다이오드 SD의 일단과의 사이에 접속된다. 제1의 전송 스위치 TR(TF1)는 트랜지스터로 이루어지고, 제1의 축적 다이오드 SD의 일단과 부유 반도체 영역 FD와의 사이에 접속된다. 제2의 전하 전송 경로 CTP2에서는, 제2의 셔터 스위치 TR(GS2)는 트랜지스터로 이루어지고, 광전 변환 소자(11a)와 부유 반도체 영역 FD와의 사이에 접속된다. 이들 트랜지스터의 게이트는 제어 회로(7)로부터 구동선(12)을 통해 공급되는 제어 신호를 받는다.
화소(11)에서는 리셋 트랜지스터 TR(RS)는 부유 확산부 FD에 접속되어 부유 확산부 FD를 리셋 한다. 출력부 AMP에서는 증폭 트랜지스터 TR(AM)는 부유 확산부 FD로부터의 신호를 게이트에 받고 있고, 전원선이라고 하는 기준 전위선 VDD와 칼럼선 C와의 사이에 접속되어 있다. 스위치 트랜지스터 TR(SW)는 증폭 트랜지스터 TR(AM)에 직렬로 접속되고, 또 기준 전위선 VDD와 칼럼선 C와의 사이에 접속된다. 화소 회로(11b)는 칼럼선 C에 접속된 전류원을 이용하여 생성된 화소 신호 S(pixel)를 칼럼선 C에 제공한다. 트랜지스터 TR(RPD) 및 리셋 트랜지스터 TR(RS)의 일단(예를 들면 드레인)은 기준 전위선 VDD에 접속되어 있다.
다시 도 1을 참조하면, 칼럼선 C상의 신호는 칼럼 신호 처리부(5)에 공급된다. 칼럼 신호 처리부(5)는 소정의 처리를 화소 신호 S(pixel)에 대해서 행하여 촬상 신호 S(img)를 생성한다. 이 처리는, 예를 들면 상관 이중 샘플링(sampling), A/D변환, 증폭 및 샘플-홀드(sample-hold) 동작의 적어도 어느 하나일 수가 있고, 이들 처리는 아날로그 또는 디지털의 신호 처리일 수가 있다.
칼럼 신호 처리부(5)는 화소 어레이(2)로부터의 제1 및 제2의 화소 신호 S1, S2를 한 프레임에 있어서 독출하는 독출 회로(15)를 포함한다. 제1의 화소 신호 S1은 제1의 전하 전송 경로 CTP를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송된 제1의 전송 전하에 대응한다. 제2의 화소 신호 S2는 제2의 전하 전송 경로 CTP2를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송된 제2의 전송 전하에 대응한다.
신호 처리부(9)는 독출 회로(15)로부터의 신호 S(img)를 받는다. 신호 처리부(9)는 독출 신호 S(OUT)를 생성한다. 매우 적합한 실시예에서는, 칼럼 신호 처리부(5)의 신호 S(img)는 소정의 디지털 형성의 디지털 신호일 수가 있다. 고체 촬상 장치(1)의 일례에서는, 칼럼마다의 신호는 칼럼 디코더 회로(16)에 의해 수평 신호선(17)에 제공된다.
이 고체 촬상 장치(1)1에 의하면, 각 화소(11)의 화소 회로(11b)는 광전 변환 소자(11a)로부터 부유 반도체 영역 FD에 이르는 제1 및 제2의 전하 전송 경로 CTP1, CTP2를 가진다. 예를 들면, 제1 및 제2의 전하 전송 경로 CTP1, CTP2는 각각 제1 및 제2의 셔터 스위치를 포함한다. 일방의 전송 경로에 있어서, 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하는 제1의 축적 다이오드 SD에 일시적으로 축적될 수가 있다. 이런 이유로 개개의 전송 경로 상의 셔터 스위치 TR(GS1), TR(GS2)는 전하의 전송에 관해서 서로 간섭하는 일 없이, 화소 어레이(3)에 있어서 다중화된 글로벌 셔터의 동작이 가능하게 된다. 이어지는 설명에서는 이해를 용이하게 하기 위해서 상기 스위치의 참조 부호를 대응하는 트랜지스터에 사용한다.
또, 화소 회로(11b)의 출력부 AMP는 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전위에 따른 신호 S1, S2를 제공한다. 출력부 AMP는 제1의 전하 전송 경로 CTP1을 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송된 제1의 전송 전하에 응답하여 제1의 화소 신호 S1을 제공하고, 제2의 전하 전송 경로 CTP2를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송된 제2의 전송 전하에 응답하여 제2의 화소 신호 S2를 제공한다. 독출 회로(15)는 제1 및 제2의 화소 신호 S1, S2를 받는다. 신호 처리부(9)는 독출 회로(15)로부터의 신호에 고기능화를 위한 처리를 실시한다.
도 3은 화소의 디바이스 구조를 나타내는 도면이다. 도 3(a)를 참조하면, 화소(11)의 평면 레이아웃(layout)의 일례가 나타난다. 도 3(a)에는 출력 AMP 및 리셋 트랜지스터 이외의 트랜지스터와 2개의 전하 전송 경로가 나타나 있다. 도 3(b)는 도 3(a)에 나타난 A－A선 및 B－B선에 따라 취한 단면을 나타낸다. 도 3(b)에는 A－A 단면 및 B－B 단면의 각각에 있어서 화소(11)의 트랜지스터의 채널부의 포텐셜(potential) 다이어그램이 나타나 있다. 도통 상태의 포텐셜은 실선으로 나타나고, 비도통 상태의 포텐셜은 파선으로 나타난다. 이 실시예에서는 고체 촬상 장치(1)의 화소(11)는 p형 기판에 제작된다. 화소(11)는 p형 기판(p－sub)에 형성된다.
포토다이오드 PD는 p형 기판(p형 불순물 농도 p0) 내에 설치된 n형 반도체 영역(n형 불순물 농도 n2)과, p형 기판의 표면에 설치된 p＋형 반도체 영역(p형 불순물 농도 p0)과, p＋형 반도체 영역의 측면 및 저면에 설치된 저농도 p형 반도체 영역(p형 불순물 농도 p1＜p＋, p0＜p1)을 포함한다. 이 p형 반도체 영역은 2개의 셔터 트랜지스터의 채널 직하의 도중까지 뻗어있다. 이런 이유로 2개의 셔터 트랜지스터의 채널의 포텐셜은 도통 상태 및 비도통 상태에 있어서 계단 모양으로 된다. 포토다이오드 PD는 피닝(peening)형 구조를 가진다.
축적 다이오드 SD는 p형 기판 내에 설치된 n형 반도체 영역(n형 불순물 농도 n2)과, p형 기판의 표면에 설치된 p＋형 반도체 영역(p형 불순물 농도 p＋)과, n형 반도체 영역의 저면에 설치된 저농도 p형 반도체 영역(p형 불순물 농도 p2＜p＋, p0＜p2)을 포함한다. n형 반도체 영역의 주위는 p형 반도체 영역 및 p＋형 반도체 영역에 의해 덮여 있다. 축적 다이오드 SD는 피닝형 구조를 가진다.
포토다이오드 PD의 n형 반도체 영역에 있어서의 n형 불순물 농도 n2가 축적 다이오드 SD의 n형 반도체 영역에 있어서의 n형 불순물 농도 n2와 다르므로 전하 전송 효율을 향상시킬 수 있다. 축적 다이오드 SD에서는 저농도 p형 반도체 영역(p형 불순물 농도 p2)은 낮은 기생적인 광감도를 제공할 수 있고, 포토다이오드 PD의 전하에 의한 축적 다이오드 SD에의 블루밍을 방지할 수가 있다. 매우 적합한 화소의 실시예에서는 축적 다이오드에서는 섭씨 27도에서 119e－/초라고 하는 낮은 암전류를 실현할 수 있었다.
부유 반도체 영역 FD는 트랜지스터의 소스 및 드레인을 위해서 형성되는 n형 도전성의 반도체로 이루어지고, 이 반도체는 p웰(p－well) 및 p형 기판(p－sub)에 접하고 있다.
화소(11)는 2개의 동작 모드를 제공할 수 있다. 이들은 듀얼 셔터 모드와 단일 셔터 모드로서 참조된다. 단일 셔터 모드에서는 셔터 트랜지스터 TR(GS2)는 닫혀져 있고, 고체 촬상 장치(1)는 낮은 잡음 글로벌 셔터 동작을 제공할 수 있다. 듀얼 셔터 모드에서는 축적 다이오드 SD 및 부유 반도체 영역 FD의 양방을 전하 축적을 위해서 이용한다. 이 모드에서는 각 프레임에 있어서 2개의 스냅샷(snapshot) 화상을 취해 넣을 수가 있다. 도 4는 화소의 구동 타이밍의 일례를 나타내는 도면이다. 도 4(a)에 나타난 동작 스킴을 참조하면, 포토다이오드 PD가 제1의 전하 축적을 행하고, 이 축적 전하는 셔터 트랜지스터 TR(GS1)를 통해 축적 다이오드 SD에 전송된다. 그 다음에, 포토다이오드 PD가 제2의 전하 축적을 행하고, 이 축적 전하는 셔터 트랜지스터 TR(GS2)를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송된다. 이들 전하 축적에 있어서의 개개의 노광 시간은 트랜지스터 TR(RPD)의 제어 펄스 RPD의 하강 엣지(edge)와 셔터 트랜지스터의 제어 펄스 GS1, GS2의 하강 엣지의 사이에 기간에 의해 규정된다. 포토다이오드 PD에 있어서의 축적 시간을 제어하는 리셋 동작은 트랜지스터 TR(RPD)에 의해 행해진다. 화소(11)로부터의 독출은 다음의 프레임에 있어서의 제1의 전하 축적의 기간에 있어서 백그라운드 동작으로서 행해진다.
도 4(a)에 나타난 동작 타이밍을 참조하면, 듀얼 셔터 모드에서는, 우선, 부유 확산 영역 FD에 기억된 신호를 독출한다. 이 독출 후에 부유 확산 영역 FD의 전위를 리셋 트랜지스터 TR(RS)를 이용하여 리셋하여 부유 확산 영역 FD에 리셋 전위를 생성한다. 이 리셋 전위와 관련되는 신호를 독출한 후에 축적 다이오드 SD에 기록된 신호를 부유 확산 영역 FD에 전송 트랜지스터 TR(TF1)를 통해 전송한다. 이 전송된 신호를 독출한다. 이 동작에 의해 상관 이중 샘플링(CDS) 동작을 이용하여 kTC 잡음이라고 하는 잡음을 제거할 수 있다. 또, 듀얼 셔터 동작 모드에서는 넓은 다이내믹 레인지, 움직임 검출, 연속 2화상의 촬상이라고 하는 몇 개의 기능이 제공된다. 도 4(a)의 동작 타이밍에 있어서, 전하 축적과 전하 전송의 타이밍이 겹치고 있지만, 이 겹침은 없어도 좋다.
도 5는 본 실시의 형태와 관련되는 고체 촬상 장치를 위한 칼럼 신호 처리 회로의 일례를 나타내는 도면이다. 칼럼 신호 처리 회로(15)는 하나 또는 복수의 상관 이중 샘플링부(「CDS」로서 참조)(31)를 포함할 수가 있다. 상관 이중 샘플링부(31)는 화소 신호 S1, S2를 독출한다. 매우 적합한 실시예에서는, 화소 신호 S1, S2의 각각은 리셋 레벨 및 신호 레벨을 포함한다. 이들 신호를 처리하기 위해서 상관 이중 샘플링부(31)는 제1 및 제2의 CDS 회로(31a, 31b)를 포함할 수가 있다.
CDS 회로(31a, 31b)의 각각은 스위치(33a, 33b), 캐패시터(35a, 35b), 및 연산 증폭 회로(37)를 포함한다. 연산 증폭 회로(37)의 일입력(부(負)입력)(37a)은 직렬로 접속된 스위치(33a) 및 캐패시터(35a)를 통해 입력 VIN로부터의 신호를 받고, 연산 증폭 회로(37)의 타입력(정(正)입력)(37b)은 공통 참조 신호(VCOM)를 받는다. 연산 증폭 회로(37)의 일입력(37a)과 연산 증폭 회로(37)의 출력(37c)의 사이에는 스위치(33b) 및 캐패시터(35b)가 병렬로 접속되어 있다. 출력 VOUT는 연산 증폭 회로(37)의 출력(37c)로부터의 신호를 받는다. 스위치(33a)는 신호의 입력 동작을 제어하고, 스위치(33b)는 리셋 동작을 제어한다. 화소(11)로부터 리셋 전위가 출력될 때는, 스위치(33a, 33b)를 닫아 캐패시터(35a)에 리셋 레벨 S1을 취해 넣는다. 다음에, 스위치(33a)를 닫은 채로 스위치(33b)를 열어, 화소(11)로부터의 신호 레벨 S2를 캐패시터(35a)에 취해 넣는다. 스위치(33b)가 열려 있으므로, 연산 증폭 회로(37)의 출력(37c)에는 리셋 레벨 S1과 신호 레벨 S2의 차(예를 들면 S1－S2), 즉 아날로그 CDS 결과가 생성된다.
칼럼 신호 처리 회로(15)는 CDS부(31)에 더하여 A/D변환 회로(41)를 포함할 수가 있다. A/D변환 회로(41)는 CDS부(31)로부터의 신호를 받는다. A/D변환 회로(41)는 아날로그 CDS 결과를 A/D변환하고, 제1 및 제2의 화소 신호 S1, S2에 각각 대응한 제1 및 제2의 디지털 신호(디지털 촬상 신호) S(ADC1), S(ADC2)를 생성한다. 이 A/D변환 회로(41)에 있어서의 A/D변환의 방식은, 예를 들면, 적분형 변환, 순회형 변환, 순차 비교형 변환 및 이들을 조합한 변환 방식의 적어도 어느 하나일 수가 있다. 고체 촬상 장치(1)에 상기의 변환 방식을 적용할 수 있다. A/D변환 회로(41)는 하나 또는 복수의 A/D변환기를 포함할 수가 있다.
다시 도 4를 참조하면서 구동 타이밍 및 CDS 동작을 설명한다. 화소(11)의 구동으로서 제1의 전하 축적에 의해 포토다이오드 PD에 축적한 제1의 신호 전하는 셔터 트랜지스터 TR(GS1)를 통해 축적 다이오드 SD에 전송되고, 축적 다이오드 SD는 전송된 전하를 보유하고, 이 보유 전하를 제1 축적 전하로서 참조한다. 이 제1 전하 축적 기간은 전(前) 프레임에 있어서 트랜지스터 TR(RPD)의 오프 시각부터 셔터 트랜지스터 TR(GS1)의 오프 시각까지의 시간으로 된다. 그 다음에, 재차 포토다이오드 PD에 전하의 제2의 전하 축적을 행한다. 이 제2 축적 전하는 셔터 트랜지스터 TR(GS2)를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송되고, 부유 반도체 영역 FD에서 일시적으로 보유된다. 이 보유 전하를 제2 축적 전하로서 참조한다. 이들 전하 전송은 전화소 일제히 행해지므로 제1 및 제2 축적 전하 모두 글로벌 셔터의 동작으로 된다.
글로벌 셔터의 동작에 있어서의 신호는 이하와 같이 처리된다.
수직 주사 회로에 의해 화소(11)가 행마다 선택된다. 예를 들면 i행째가 선택되어, 우선 부유 반도체 영역 FD에 보유되어 있는 제2 축적 신호의 신호 레벨 VSIG2(도 4에 있어서의 「VSIG , 2 nd」)가 칼럼 CDS부(31)에 샘플링 된다. 신호 레벨을 샘플링 한 후에, 부유 반도체 영역 FD는 i행째의 리셋 신호에 의해 리셋 트랜지스터 TR(RS)를 이용하여 리셋된다. 이 때에 부유 반도체 영역 FD에 리셋 잡음이 중첩한다. 이 리셋 레벨 VRES2(도 4에 있어서의 「VRES , 2 nd」)가 칼럼 CDS 회로(31a)에 샘플링 된다. 칼럼 CDS 회로(31a)는 신호 레벨 VSIG2(도 4에 있어서의 「VSIG , 2 nd」)와 리셋 레벨 VRES2(도 4에 있어서의 「VRES , 2 nd」)의 차를 나타내는 신호를 생성한다. 이에 의해 화소에 기인하는 고정 패턴 잡음이 제거된 신호(VSIG2－VRES2, 도 4에 있어서의 기법으로 「Vo , 2nd=VSIG, 2 nd-VRES , 2 nd」)가 제공된다. 이 시퀀스(sequence)에서는 리셋 잡음은 제거되지 않는다.
다음에, 칼럼 CDS 회로(31a)가 리셋 레벨 VRES2를 독출한 후에 부유 반도체 영역 FD는 i행째의 리셋 신호에 의해 리셋 트랜지스터 TR(RS)를 이용하여 리셋된다. 이 리셋 레벨 VRES1(도 4에 있어서의 「VRES , 1 st」)은 바로 전과는 다른 칼럼 CDS 회로(31b)에 샘플링 된다. 이미 설명한 것처럼, 축적 다이오드 SD는 제1 축적 전하를 일시적으로 보유하고 있다. 샘플링 후에 제1 축적 전하를 전송 트랜지스터 TR(TF1)를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송하고, 그 신호 레벨 VSIG1(도 4에 있어서의 「VSIG , 1 st」)를 칼럼 CDS 회로(31b)로 샘플링 한다. 그리고, 칼럼 CDS 회로(31b)의 동작에 의해 이 리셋 레벨 VRES1과 신호 레벨 VSIG1의 차(VSIG1－VRES1)(Vo , 1st=VRES, 1 st-VSIG , 1 st)가 생성되어 리셋 잡음 및 고정 패턴 잡음이 제거된다.
이들 순서를 행함으로써 부유 반도체 영역 FD에 직접 전송된 전하와 관련되는 FD 보유 신호와 부유 반도체 영역 FD에 축적 다이오드를 통해 전송된 전하와 관련되는 SD 보유 신호와의 2개의 화상 신호가 프레임마다 얻어진다. 이 2개의 화상 신호의 시간차는 최소로 포토다이오드 PD로부터 축적 다이오드 SD로의 전하 전송의 시간에까지 짧게 할 수 있고, 이 전형적인 값은, 예를 들면 수㎲~수10㎲ 정도이다. 이 특장에 의해 본건 실시의 형태와 관련되는 고체 촬상 장치(1)를 「글로벌 셔터 또한 선형 응답의 넓은 다이내믹 레인지 촬상」, 「차분 화상에 의한 움직임 검출」, 「연속 2매, 초고속 촬상이나 손떨림 보정」 등의 처리에 적용 가능하다.
도 6은 본 실시의 형태와 관련되는 고체 촬상 장치를 반도체 집적 소자로서 실현한 반도체 칩을 나타내는 도면이다. 도 7은 프로토타입 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서의 특성을 나타내는 도면이다. 이 프로토타입 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서의 블록 배치가 나타난다. 이 이미지 센서는 600×480의 유효 화소를 포함하는 화소 어레이를 가지고 있고, 개개의 화소의 사이즈는 7.5㎛×7.5㎛이다. 화소 어레이는 칼럼 CDS 회로 및 프로그래머블 이득 증폭기(PGA)를 포함하는 칼럼 회로부의 사이에 설치되어 있다. 프로그래머블 이득 증폭기는 신호 제어에 의해 이득을 변경할 수 있고, 이 이미지 센서에서는 1배 또는 15배의 이득을 제공할 수 있다. 듀얼 셔터 모드에서는, 예를 들면 상측 칼럼 회로부 및 하측 칼럼 회로부는 각각 부유 반도체 영역 FD에 직접 전송된 전하와 관련되는 FD 신호 및 축적 다이오드 SD를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송된 전하와 관련되는 SD 신호를 독출할 수가 있다.
도 8은 이미지 센서에 채용된 화소의 특성을 나타내는 도면이다. 도 7에서는 당해 이미지 센서에 조사한 광의 조도(룩스)를 나타내고, 세로축은 당해 이미지 센서로부터 얻어진 신호값(밀리볼트)을 나타낸다. 측정에서는 글로벌 셔터 TR(GS1)를 연(셔터 온(on)) 특성, 및 글로벌 셔터 TR(GS1)를 닫은(셔터 오프(off)) 특성을 나타낸다. 감도의 측정값에 관해서는 온 값 및 오프 값은 각각 8.0V/lux?sec 및 0.022V/lux?sec였다. 기생 광감도(parasitic　photo－sensitivity)가 0.3％로 낮고, 셔터 효율은 99.7％로 높다.
암시간 노이즈(dark　temporal　noise)은, 축적 다이오드를 이용하는 화소 신호(SD 신호)의 생성에서는, 증폭기 PGA의 이득 1 및 이득 15에 있어서 각각 2.7e－ 및 14.3e－였다. 이 낮은 잡음은 독출 회로의 동작이 낮은 잡음인 것에 더하여, 완전 CDS 동작에 의해 kTC 잡음을 제거할 수 있는 것에 기초한다. 또, 암시간 노이즈(dark　temporal　noise)은, 축적 다이오드를 이용하지 않는 화소 신호(FD 신호)의 생성에서는, 증폭기 PGA의 이득 15에 있어서 32.8e－였다. 이것은 kTC 잡음이 시간 노이즈에 지배적인 것을 나타내고 있다. 이들 측정으로부터 본 실시에 있어서의 화소에 있어서의 잡음은 매우 작은 것이 나타나고, 종래의 5Tr형 글로벌 셔터형 동작에 비해 약 1/10이다.
도 9는 SD 신호 및 FD 신호와 관련되는 화상을 나타내는 도면이다. 도 9(a) 및 도 9(b)에는 이미지 센서에 있어서의 2단계 전송에 의해 얻어진 화상을 나타낸다. 2단계 전송에서는 전송 경로 상의 축적 다이오드를 이용한다. 도 9(c) 및 도 9(d)에는 이미지 센서에 있어서의 1단계 전송에 의해 얻어진 화상을 나타낸다. 1단계 전송에서는 포토다이오드로부터 직접 부유 반도체 영역에 포토 전하가 전송된다. 도 9(a)~도 9(d)의 화상의 생성에서는 칼럼 회로에 있어서의 아날로그 이득은 15이고, 디지털 이득은 10이고, 셔터 시간은 1㎳이다. 도 9(e)는 33㎐로 회전하는 선풍기의 상을 15㎳의 셔터 시간으로 취해 넣은 화상을 나타낸다. 도 9(a)~도 9(d)의 화상을 도 9(e)의 화상과 비교하면 선풍기의 회전하는 날개의 상에 차이가 나타난다.
이어서 본 실시의 형태와 관련되는 고체 촬상 장치에 의해 제공되는 기능, 예를 들면 「글로벌 셔터 또한 선형 응답의 넓은 다이내믹 레인지 촬상」, 「차분 화상에 의한 움직임 검출」, 「연속 2매, 초고속 촬상이나 손떨림 보정」 등을 설명한다.
(1) 글로벌 셔터 또한 선형 응답의 넓은 다이내믹 레인지 촬상
제1의 전하 전송 경로 CTP1을 통해 전송되는 전하를 축적하기 위한 제1 축적 기간을 제2의 전하 전송 경로 CTP2를 통해 전송되는 전하를 축적하기 위한 제2 축적 기간보다 길게 한다. 신호 처리부(5)는 제1 및 제2의 화상 신호 S1, S2로부터 합성 화상 신호를 합성하는 신호 합성부를 포함할 수가 있다. 이 합성 화상 신호는 제1 및 제2의 화상 신호 S1, S2의 각각에 있어서의 다이내믹 레인지보다 넓은 다이내믹 레인지를 가진다. 예를 들면, 축적 다이오드 SD를 포함하는 전송 경로 CTP1과 관련되는 전하를 낮은 조도 영역을 위한 신호에 할당할 수가 있고, 이런 이유로 장시간 노광을 행한다. 또, 이것과는 다른 전송 경로 CTP2와 관련되는 전하를 높은 조도 영역을 위한 신호에 할당할 수가 있고, 이런 이유로 단시간 노광을 행한다. 이들 2개의 화소 신호를 이용하여 선형으로 넓은 다이내믹 레인지의 화상 신호를 합성할 수 있다. 또, 각각의 전송 경로(CTP1 및 CTP2)의 전하는 동일한 광감도로 생성되고, 동일한 변환 이득으로 전압으로 변환된다. 이런 이유로 뛰어난 선형 응답을 나타낸다. 동일한 포토다이오드로 광전 변환되고, 동일한 부유 확산층에서 전하 전압 변환되고, 동일한 화소 독출 회로로 출력되므로, 동일한 광감도와 동일한 변환 이득, 전압 이득의 신호가 얻어진다. 본 실시의 형태에 있어서의 매우 적합한 CMOS 이미지 센서는 글로벌 셔터를 가지고 92dB의 다이내믹 레인지를 실증할 수 있었다. 높은 조도 하에서도 1％ 미만의 선형성을 실장할 수 있었다. 이 값은 발명자가 아는 지금까지의 값 10％에 비해 양호한 선형성을 나타낸다. 또, 99.7％의 높은 셔터 효율을 실증할 수 있었다.
제1 축적 전하와 관련되는 신호를 낮은 조도 영역에 적용하여 장시간 노광으로 SD 보유 신호를 생성함과 아울러, 제2 축적 전하와 관련되는 신호를 높은 조도 영역에 적용하여 단시간 노광으로 FD 보유 신호를 생성한다. 이런 이유로 축적 시간비를 이용한 넓은 다이내믹 레인지의 촬상이 가능하게 된다. 또, SD 보유 신호 내의 리셋 잡음은 제거되어 있고, 이는 낮은 조도 측에 다이내믹 레인지를 확대하는 것에 매우 적합하다. FD 보유 신호 내의 리셋 잡음은 제거할 수 없기 때문에, FD 보유 신호의 랜덤 잡음은 크다. 그렇지만, 높은 조도 영역의 촬상에서는 랜덤 잡음보다 쇼트 잡음이 지배적이므로 화상 신호에 대한 랜덤 잡음의 영향은 작게 할 수 있다. 이 조합에 의해 효과적인 다이내믹 레인지의 확대가 가능하다. 2회의 셔터 동작의 시간 간격이 발명자가 아는 지금까지의 노광 방식에서는 2회 노광 동안의 축적 시간의 어긋남이 크기 때문에, 촬상의 시각차에 기인한 화상의 일그러짐 발생 등이 합성 화상에 생기고 있었다. 그렇지만, 본 실시의 형태에 있어서의 듀얼 셔터 방식에서는 화상 신호의 시간축 상의 시간차는 불과 수㎲~수10㎲ 정도로 짧기 때문에, 합성 화상에 있어서의 화상 일그러짐은 거의 무시할 수 있는 정도로 낮다. 이와 같이 글로벌 셔터의 실현 또한 선형 응답의 넓은 다이내믹 레인지 촬상 방식의 실현이 가능한 CMOS 이미지 센서가 제공된다.
도 10은 글로벌 셔터 또한 선형 응답의 넓은 다이내믹 레인지 촬상에 의한 합성 화상을 나타내는 도면이다. 도 10(a)는 2단계 전송에 의해 생성된 SD 신호로부터의 화상(SD 화상)을 나타낸다. 이 화상의 생성에 있어서, 노광 시간(트랜지스터 TR(EP)의 턴 오프(turn off)로부터 셔터 트랜지스터 TR(GS1)의 턴 오프까지의 시간)은 1㎳이다. 도 10(b)는 1단계 전송에 의해 생성된 FD 신호로부터의 화상(FD 화상)을 나타낸다. 이 화상의 생성에 있어서, 노광 시간은 0.167㎳이다. 도 10(c)는 SD 화상 및 FD 화상으로부터 합성된 화상이다.
(2) 고속(high speed) 촬상
동일 프레임에 있어서 화소 어레이(3)는 제1 및 제2의 화상 신호 S1, S2를 취득할 수 있다. 이에 의해 매우 가까운 복수의 시각에 있어서 취득된 연속적인 촬상된 화상 신호를 제공할 수 있다. 동일 프레임 내에 있어서의 시간 간격은 수㎲~수10㎲ 정도일 수가 있다. 또, 동일 프레임 내에 있어서의 복수의 시각에서의 복수의 촬상에 의한 고속 촬상을 가능하게 하는 화상 신호를 제공할 수 있다.
(3) 차분 화상에 의한 손떨림 보정
본 실시의 형태에서는, 제1 및 제2의 화상 신호 S1, S2의 일방을 제1 및 제2의 화상 신호 S1, S2의 타방과 비교하여, 제1 및 제2의 화상 신호 S1, S2의 비교 결과를 나타내는 비교 신호를 제공할 수 있다. 비교 결과를 생성하기 위한 비교부를 신호 처리부에 설치함으로써 차분 화상에 의한 움직임 검출과 관련되는 기능을 제공할 수 있다. 동일 프레임에 있어서 화소 어레이(3)는 제1 및 제2의 화상 신호 S1, S2를 취득할 수 있다. 화상 신호 S1, S2는 각각 다른 시각에서 취득되지만, 이 시각 간격은 당해 디바이스의 성능의 범위에서 매우 짧게 할 수 있다. 근접한 화상을 나타내는 화상 신호 S1, S2의 비교에 의해 근접한 화상 사이의 변화 및 차이 등을 검출할 수 있다. 이 검출은, 예를 들면 손떨림 보정 등의 검지에 이용이 가능하다.
(4) 차분 화상에 의한 움직임 검출.
본 실시의 형태에서는, 화소 신호 S1, S2와의 차분에 대응하는 신호를 생성할 수가 있다. 이를 위한 차분 생성부를 신호 처리부에 설치함으로써 제1의 화소 신호 S1과 제2의 화소 신호 S2와의 차분의 검출의 기능을 제공할 수 있다. 프레임 내의 복수의 시각에 있어서 취득된 화상 신호 S1, S2의 차분을 생성하므로, 고속의 촬상에 있어서의 차분 화상을 생성할 수 있다. 차분 화상의 이용에 의해, 예를 들면 움직임 검출 등의 기능을 제공할 수 있다.
예를 들면, 광전 변환 소자(11a)로부터 축적 다이오드 SD에 전송되는 전하를 생성하기 위한 제1의 축적 기간은 광전 변환 소자(11a)로부터 부유 반도체 영역 FD에 전송되는 전하를 생성하기 위한 제2의 축적 기간에 실질적으로 동일하게 할 때, 차분 화상의 생성에 의한 움직임 검출을 간단하게 제공할 수 있다. 화상 사이의 시간차는 2개의 셔터와 관련되는 축적 시간의 간격을 조정하여 설정된다. 이 값을 짧게 할 때 고속의 피사체에 대해서 정확한 움직임 검출을 제공할 수 있다.
도 11은 움직임 검출을 위한 화상의 일례를 나타내는 도면이다. 도 11(a), 도 11(c) 및 도 11(e)이 SD 화상을 나타내고, 도 11(b), 도 11(d) 및 도 11(f)가 SD 화상과 관련되는 차분 화상을 나타낸다. 도 11(b), 도 11(d) 및도 11(f)에 있어서의 차분은 각각 도 11(a), 도 11(c) 및 도 11(e)에 있어서의 화상의 수집(capture)시에 있어서의 대상 범위 내의 이동 물체의 엣지를 나타내고 있다.
한 프레임 내에 있어서의 복수 화상의 생성의 응용예의 하나는 화상 사이의 시간차를 최소로 했을 경우, 프레임 레이트(frame rate)에 의존하지 않는 2매의 초고속 촬상을 제공할 수 있는 것에 있다. 필요에 따라서 제1 축적 기간과 제2 축적 기간을 동일하게 설정하거나, 혹은 다르게 설정해도 좋다. 차분 생성의 응용예의 다른 하나는 고속 이동하는 피사체의 속도 해석에 적용할 수 있다. 또, 2개의 화상 사이의 시간차를 설정할 수 있기 때문에 기존의 시간차를 이용하여 2개의 화상을 비교하여 손떨림 보정을 행할 수가 있다.
이들 처리는, 예를 들면 신호 처리부(9)를 이용하여 하드웨어 처리로서, 소프트 웨이퍼 처리로서, 혹은 이들 조합으로서 실현될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 화소(11)는 받은 광 L로부터 전기 신호를 생성하는 광전 변환 소자(11a)와, 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하를 축적하는 부유 반도체 영역 FD와, 광전 변환 소자(11a)로부터 부유 반도체 영역 FD에 이르는 제1의 전하 전송 경로 CTP1과, 제1의 전하 전송 경로 CTP1과 달리 광전 변환 소자(11a)로부터 부유 반도체 영역 FD에 이르는 제2의 전하 전송 경로 CTP2와, 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전위에 따른 신호를 제공하는 출력부 AMP를 포함한다. 제1의 전하 전송 경로 CTP1은 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하의 전송을 제어하는 제1의 셔터 스위치 TR(GS1)와, 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하를 축적하는 제1의 축적 다이오드 SD와, 제1의 축적 다이오드 SD로부터 부유 반도체 영역 FD로의 전하 전송을 제어하는 제1의 전송 스위치 TR(TF1)를 포함한다.
도 12는 고정밀도 듀얼 셔터의 일례를 나타내는 도면이다. 도 12(a)를 참조하면, 이 화소(12a)는, 제2의 전하 전송 경로 CTP2가, 제2의 축적 다이오드 SD2와 제2의 전송 스위치 TR(TF2)를 포함한다. 이어지는 설명에서는 제1의 축적 다이오드를 「SD1」로서 참조한다. 제2의 축적 다이오드 SD2가 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하를 축적함과 아울러, 제2의 전송 스위치 TR(TF2)가 제2의 축적 다이오드 SD2로부터 부유 반도체 영역 FD로의 전하 전송을 제어한다. 예를 들면, 제2의 셔터 스위치 TR(GS2)는 광전 변환 소자(11a)와 제2의 축적 다이오드 SD2의 일단과의 사이에 접속되고, 제2의 전송 스위치 TR(TF2)는 부유 반도체 영역 FD와 제2의 축적 다이오드 SD2의 일단과의 사이에 접속된다. 다중화된 셔터의 동작이 제공됨과 아울러, 축적 다이오드 SD1, SD2를 이용하여 낮은 잡음의 2개의 화소 신호가 얻어진다. 이런 이유로 예를 들면 낮은 조도에 있어서도 정확한 차분 화상이나 2매의 초고속 화상의 취득이 가능하게 된다.
복수의 축적 다이오드 SD1, SD2를 이용하여 복수의 글로벌 셔터 기능을 제공할 수 있다. 이 구조에 의하면 개개의 화상 신호의 생성에 즈음하여 리셋 잡음을 제거할 수 있다. 이런 이유로 화소(12a)는 낮은 잡음 글로벌 셔터의 화상을 제공할 수 있고, 화상의 차분 생성, 특히 동일한 축적 시간의 2화상의 차분 생성을 고정밀도로 행하는 것이 가능하다.
또, 파이프라인(pipe line) 처리의 적용에 의해 고속 촬상에 있어서 배속 촬상이 가능하다. 도 12(b)를 참조하면, 배속 촬상을 위한 파이프라인 처리가 나타난다. 2개의 전하 전송 경로 CTP1, CTP2의 각각에 있어서의 전하의 일시적인 보유를 부유 반도체 영역 FD와 독립하여 행할 수가 있다. 이런 이유로 포토다이오드 PD로부터 축적 다이오드 SD1(SD2)으로의 전송/보유를 병렬화할 수 있고, 축적 다이오드 SD2(SD1)로부터 부유 반도체 영역 FD로의 보유/전송을 병렬화할 수 있다. 복수의 전송 경로에 전하를 배분하고, 이들 전하량을 나타내는 화소 신호를 칼럼의 독출 회로를 이용하여 행마다 독출할 때에, 일방의 전송 경로와 관련되는 신호의 독출에 칼럼선을 사용하고 있을 때, 타방의 전송 경로와 관련되는 신호를 포토다이오드로부터 축적 다이오드로 전송하고 있다. 이런 이유로 일방의 전송 경로와 관련되는 신호의 독출이 완료한 후에, 타방의 전송 경로와 관련되는 신호의 독출에 칼럼선을 사용할 수 있다. 따라서, 칼럼의 방향으로 세로로 뻗어있는 신호선을 늘리지 않고 배속으로 독출할 수가 있다.
도 13은 트리플 셔터를 가지는 화소의 일례를 나타내는 도면이다. 이 화소(12b)는 제1 및 제2의 전하 전송 경로 CTP1, CTP2에 더하여, 제3의 전하 전송 경로 CTP3을 포함한다. 제3의 전하 전송 경로 CTP3은 화소(11)에 있어서의 제2의 전하 전송 경로 CTP2와 마찬가지의 구조를 포함한다. 제3의 전하 전송 경로 CTP3은 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송하는 셔터 스위치 TR(GS3)를 포함한다. 제3의 전하 전송 경로 CTP3에서는, 예를 들면 스위치 TR(GS3)을 위한 셔터 트랜지스터가 광전 변환 소자(11a)와 부유 반도체 영역 FD와의 사이에 접속되어 있다.
등가 회로 상에서는 고정밀도 듀얼 셔터용의 화소에 부유 반도체 영역 FD에 직접 전하 전송을 가능하게 하는 게이트 TR(GS3)가 추가되어 있다. 따라서, 3매의 글로벌 셔터 화상이 취득 가능하다. 3개의 축적 시간의 개개에 비율을 설정함으로써 다이내믹 레인지를 더 확대할 수 있다.
도 14는 화소 어레이 내의 복수의 화소로부터 화소 신호를 독출하는 방법에 있어서의 주요한 스텝을 나타내는 도면이다. 화소 어레이 내의 화소는 전화소 동시 셔터에 관한 것이므로 제어 신호 GS1, GS2, RPD에 의한 전하 전송은 전화소 동시에 행해진다. 포토다이오드에 의한 전하의 축적도 마찬가지로 전화소 동시에 행해진다. 제어 신호 GS1, GS2에 의한 이들 전하 전송은 화소의 선택을 하고 있지 않은 기간에 행해지고, 그 후에 화소 선택이 시작되고 이들 신호의 독출이 개시된다. 이어지는 설명은 화소 어레이(3)의 어느 행 내의 화소에 대해서 행해진다. 독출 방법에서는, 스텝 S101에서는, 화소 어레이(3)에 있어서의 화소(11)(12a, 12b)의 각각에 있어서의 광전 변환 소자(11a)를 이용하여 프레임 기간 내의 제i의 축적 기간에 제i의 전하 축적을 행한다(「i」는 예를 들면 자연수이고, 최초의 독출은 「1」이다). 스텝 S102에서는, 이 전하 축적에 있어서의 전하를 화소(11)에 있어서의 제i의 전하 전송 경로를 통해 화소(11)의 부유 반도체 영역 FD에 전송하기 위해서, 이 전하를 제i의 전하 전송 경로 내의 축적 다이오드 SDi에 일시적으로 축적한다.
필요한 경우에는, 즉 또 다른 전하 전송 경로가 있을 때, 스텝 S103에 있어서 광전 변환 소자(11a)를 이용하여 동일한 프레임 기간 내의 제(i＋1)의 축적 기간에 제(i＋1)의 전하 축적을 행하고, 이 후에 이 전하 축적에 있어서의 전하를 화소(11)에 있어서의 제(i＋1)의 전하 전송 경로를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송하기 위해서, 이 전하를 제(i＋1)의 전하 전송 경로 내의 축적 다이오드 SD(i＋1)에 일시적으로 축적한다.
필요하지 않을 때에는, 스텝 S102의 다음에 스텝 S104를 행할 수가 있다. 예를 들면, 화소(11)가 2개의 전송 경로를 포함할 때, 반복은 없고, 화소(11)가 3개의 전송 경로를 포함할 때, 반복을 행한다. 필요에 따라서 이들 순서를 반복할 수가 있지만, 본 실시예에서는 전하 전송 반복은 없다.
스텝 S104에서는, 화소(11)의 각각에 있어서의 광전 변환 소자(11a)를 이용하여 동일 프레임 기간 내의 제j의 축적 기간에 제j의 전하 축적을 행한다(본 실시예에서는, j=2). 그 다음에, 스텝 S105에서는, 화소(11)의 제j의 전하 전송 경로를 통해 제j의 전하 축적에 있어서의 전하를 화소(11)에 있어서의 부유 반도체 영역 FD에 전송한다. 스텝 S106에 있어서 화소 어레이(3)의 어떤 행을 선택한다. 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전송 전하량에 따른 화소 신호 S1을 칼럼선 C에 제공한다. 스텝 S107에서는, 당해 선택 행에 대해서 독출 동작을 행하여 칼럼선 상의 화소 신호 S1을 독출한다.
스텝 S108에서는, 축적 다이오드 SDi에 일시적으로 축적된 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 이 전송 전하량에 따른 화소 신호 S2를 칼럼선에 제공한다. 스텝 S109에서는, 칼럼선 상의 화소 신호 S2를 독출한다. 스텝 S111에서는, 전하 전송 경로의 수가 2일 때, 화소 신호 S1 및 S2를 처리한다. 스텝 S112에서는, 화소 어레이의 다음의 행을 선택한다. 독출 동작은 소망의 화소 행의 수만큼 반복된다.
2개의 전송 경로를 이용하는 독출 방법에 의하면, 화소(11)는, 한 프레임 내의 제1 및 제2의 축적 기간에 각각 제1 및 제2의 전하 축적을 행한다. 제1의 전하 축적에 있어서의 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송하기 전에, 이 전하를 축적 다이오드 SD1에 일시적으로 축적한다. 이 축적 기간 중에, 제2의 전하 전송 경로 CTP2를 통해 제2의 전하 축적에 있어서의 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 이 전송 전하량에 따른 부유 반도체 영역 FD의 전위를 나타내는 화소 신호 S1을 칼럼선에 제공한다. 이 후에 축적 다이오드 SD1에 일시적으로 축적된 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 이 전송 전하량에 따른 부유 반도체 영역 FD의 전위를 나타내는 화소 신호 S2를 칼럼선에 제공한다. 이들 전송에 있어서, 일방의 전송 경로를 이용하는 전송 시에, 광전 변환 소자(11a)로부터의 전하는 축적 다이오드 SD1에 일시적으로 축적된다. 일시적인 축적에 의해, 타방의 전송 경로를 이용하여 전하 전송을 행한다. 이런 이유로 제1 및 제2의 축적 기간에 각각 제1 및 제2의 전하 축적은 전하의 전송에 관해서 서로 간섭하는 일 없이, 화소 어레이(3)에 있어서 다중화된 글로벌 셔터의 동작을 가능하게 한다. 또, 시분할로 칼럼선 상에 제공되는 화소 신호 S1 및 S2를 독출하고, 이들 독출된 신호에 고기능화를 위한 처리를 적용할 수 있다.
전하 전송 경로의 수가 3이상일 때, 축적 다이오드에의 축적의 반복을 행한다. 또, 스텝 S107의 후에 스텝 108에서는, 제i의 축적 다이오드에 보유된 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 칼럼선 C에 화소 신호 S3을 제공한다. 스텝 S109에서는, 칼럼선 C상의 화소 신호 S3을 독출한다. 스텝 S110에서는, 아직도 독출을 행하고 있지 않은 축적 다이오드의 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 이 전하에 대응하는 화소 신호를 칼럼선 C에 제공하는 것을 필요한 횟수만큼 반복하고, 칼럼선 상의 이 화소 신호를 독출하는 것을 필요한 횟수만큼 반복한다.
예를 들면, 고정밀도의 듀얼 셔터를 포함하는 화소(12a)를 이용할 때, 제1 및 제2의 전송 경로의 각각에 축적 다이오드가 설치되어 있다. 이 실시예에서는 j=2이다. 제2의 축적 기간에 제2의 전하 축적을 행한 후에, 화소(12a)의 제1의 전하 전송 경로를 통해 제1의 전하 축적에 있어서의 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전송 전하량에 따른 화소 신호 S1을 칼럼선에 제공한다. 그 후, S110에 있어서, 화소(12a)의 제2의 전하 전송 경로를 통해 제2의 전하 축적에 있어서의 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전송 전하량에 따른 화소 신호 S2를 칼럼선에 제공한다. 고정밀도 듀얼 셔터의 경우에는, 축적 다이오드 SD1 및 SD2에 전하를 축적한 후에, 화소의 독출을 행한다. 포토다이오드 PD로부터 부유 반도체 영역 FD에 직접적인 전하 전송은 행하지 않는다. 각 전송 경로에 축적 다이오드를 이용하므로, 리셋 잡음(kTC 잡음)이 제거된 낮은 잡음의 2개 신호가 얻어진다.
예를 들면, 트리플 셔터를 포함하는 화소(12b)를 이용할 때, 제1 및 제2의 전송 경로의 각각에 축적 다이오드가 설치되어 있다. 스텝 S103에 있어서, 광전 변환 소자(11a)를 이용하여 프레임 기간 내의 제2의 축적 기간에 제2의 전하 축적을 행하는 것을 행하고, 제2의 전하 축적에 있어서의 전하를 화소(12b)에 있어서의 제2의 전하 전송 경로 CTP2를 통해 부유 반도체 영역 FD에 전송하기 위해서 이 전하를 제2의 전하 전송 경로 내의 제2의 축적 다이오드 SD2에 일시적으로 축적하는 것을 행한다. 또, 스텝 S110에 있어서는, 제2의 축적 다이오드 SD2에 일시적으로 축적된 전하를 부유 반도체 영역 FD에 전송함과 아울러, 부유 반도체 영역 FD에 있어서의 전송 전하량에 따른 화소 신호를 칼럼선 C에 제공하는 것을 행하고, 칼럼선 C상의 화소 신호를 독출하는 것을 행한다. 스텝 S111에서는, 독출된 3개의 화소 신호를 처리한다. 이들 스텝에 의해, 제3의 축적 다이오드를 이용한 제3의 전하 축적이 가능하게 되어 트리플 셔터를 제공할 수 있다.
매우 적합한 실시의 형태에 있어서 본 발명의 원리를 도시하여 설명해 왔지만, 본 발명은 본 실시의 형태에 개시된 특정의 구성에 한정되는 것은 아니다.
상기의 측면과 관련되는 발명에서는, 상기 화소는 상기 부유 반도체 영역을 리셋하는 리셋 스위치를 포함할 수가 있다. 상기 제어 회로는 상기 리셋 스위치를 제어하는 리셋 신호를 생성한다. 상기 제1의 화소 신호는 상기 제1의 전송 전하에 대응한 제1 신호 레벨과, 상기 리셋 스위치에 의해 리셋된 상기 부유 반도체 영역의 전위에 대응한 제1 리셋 레벨을 포함할 수가 있다. 상기 제2의 화소 신호는 상기 제2의 전송 전하에 대응한 제2 신호 레벨과, 상기 리셋 스위치에 의해 리셋된 상기 부유 반도체 영역의 전위에 대응한 제2 리셋 레벨을 포함할 수가 있다. 상기 독출 회로는 상기 제1 및 제2의 화소 신호를 각각 샘플링하기 위한 제1 및 제2의 상관 이중 샘플링 회로를 포함할 수가 있다.
당해 측면에 의하면 제1 및 제2의 상관 이중 샘플링 회로를 이용하여 각각 제1 및 제2의 화상 신호를 샘플링하므로 화소의 고정 패턴 잡음의 제거가 가능하다.
상기의 측면과 관련되는 발명에서는, 상기 제1의 전하 전송 경로를 통해 전송되는 전하의 축적을 위한 제1 축적 기간이 상기 제2의 전하 전송 경로를 통해 전송되는 전하의 축적을 위한 제2 축적 기간보다 길다. 상기 신호 처리부는 상기 제1 및 제2의 화상 신호를 합성하여 합성 화상 신호를 생성하는 신호 합성부를 포함한다. 상기 합성 화상 신호는 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 각각에 있어서의 다이내믹 레인지보다 넓은 다이내믹 레인지를 가진다.
예를 들면, 축적 다이오드를 포함하는 전송 경로와 관련되는 축적 전하를 낮은 조도 영역을 위한 신호에 할당할 수 있고, 이 전하 축적을 위해서 장시간 노광을 행한다. 이것과는 다른 전송 경로와 관련되는 축적 전하를 높은 조도 영역을 위한 신호에 할당할 수 있고, 이 전하 축적을 위해서 단시간 노광을 행한다. 이들 2개의 화소 신호를 이용하여 선형의 넓은 다이내믹 레인지의 화상 신호를 생성할 수 있다.
상기의 측면과 관련되는 발명에서는, 상기 신호 처리부는 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 일방을 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 타방과 비교하여, 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 비교 결과를 나타내는 비교 신호를 제공하는 비교부를 포함할 수가 있다.
상기의 발명에 의하면, 동일 프레임에 있어서 화소 어레이는 제1 및 제2의 화상 신호를 취득할 수 있다. 이들 화상 신호는 각각 다른 시각에서 취득되지만, 이들 시각의 간격은 당해 디바이스의 성능의 범위에서 매우 짧게 할 수 있다. 근접한 화상을 나타내는 화상 신호의 비교를 행함으로써 근접한 화상 사이의 변화 및 차이 등을 검출할 수 있다. 이 검출은 예를 들면 손떨림 보정 등의 검지에 이용이 가능하다.
상기의 발명에서는, 비교를 행하지 않으면 근접한 복수의 시각에 있어서 취득된 연속 촬상된 화상 신호를 제공할 수 있다. 혹은, 비교를 행하지 않으면 근접한 복수의 시각의 촬상에 의한 고속 촬상을 가능하게 하는 화상 신호를 제공할 수 있다.
상기의 측면과 관련되는 발명에서는, 상기 신호 처리부는 상기 제1의 화소 신호와 상기 제2의 화소 신호의 차분을 나타내는 신호를 생성하는 차분 생성부를 포함할 수가 있다. 상기의 발명에 의하면, 근접한 복수의 시각에 있어서 취득된 화상 신호의 차분을 생성하므로 차분 화상을 생성할 수 있다. 차분 화상의 이용에 의해, 예를 들면 움직임 검출 등의 기능을 제공할 수 있다.
또, 상기의 측면과 관련되는 발명에서는, 상기 광전 변환 소자로부터 상기 제1의 축적 다이오드에 전송되는 전하를 생성하기 위한 제1의 축적 기간은 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 전송되는 전하를 생성하기 위한 제2의 축적 기간에 실질적으로 동일하게 할 때, 차분 화상의 생성이 용이하게 된다.
상기의 측면과 관련되는 발명에서는, 상기 제1 및 제2의 전하 전송 경로의 타방은 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제2의 축적 다이오드와, 제4의 제어 신호에 응답하여 상기 제2의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제2의 전송 스위치를 포함할 수가 있다. 상기 제1의 셔터 스위치는 상기 광전 변환 소자와 상기 제1의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속되고, 상기 제1의 전송 스위치는 상기 제1의 축적 다이오드의 상기 일단과 상기 부유 반도체 영역의 사이에 접속된다. 상기 제2의 전송 스위치는 상기 부유 반도체 영역과 상기 제2의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속되고, 상기 제2의 셔터 스위치는 상기 광전 변환 소자와 상기 제2의 축적 다이오드의 상기 일단과의 사이에 접속된다.
상기의 발명에서는, 제1 및 제2의 셔터 스위치는 각각 광전 변환 소자로부터 제1 및 제2의 축적 다이오드에의 전하 전송을 제어한다. 이들 제어의 결과, 각각의 전송 전하는 제1 및 제2의 축적 다이오드에 일시적으로 축적된다. 고체 촬상 장치에서는 이들 축적 다이오드가 매립 구조의 pn다이오드를 제공할 수 있다. 높은 축적 성능이 제공된다. 이 고성능화에 의해 전하 전송에 관해서 고정밀도의 다중 셔터(예를 들면 듀얼 셔터)를 제공할 수 있다.
상기의 측면과 관련되는 발명에서는, 상기 화소는 상기 제1 및 제2의 전하 전송 경로와 다르고 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제3의 전하 전송 경로를 더 구비할 수가 있다. 상기 제3의 전하 전송 경로는 제5의 제어 신호에 응답하여 상기 광전 변환 소자로부터의 전하 전송을 제어하는 제3의 셔터 스위치와, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제3의 축적 다이오드와, 제6의 제어 신호에 응답하여 상기 제3의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제3의 전송 스위치를 포함하고, 상기 신호 처리 회로는 상기 화소 어레이로부터의 제3의 화소 신호를 독출하고, 상기 제3의 화소 신호는 상기 제3의 전하 전송 경로를 통해 상기 부유 반도체 영역에 전송된 전하에 대응한다. 상기의 발명에서는, 제3의 전하 전송 경로의 제공과 제3의 전하 전송 경로의 제3의 축적 다이오드에 의해 트리플 셔터를 제공할 수 있다.
이 화소 회로의 일례에서는, 제3의 셔터 스위치는 광전 변환 소자와 제3의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속되고, 제3의 전송 스위치는 제3의 축적 다이오드의 일단과 부유 반도체 영역의 사이에 접속된다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명은, 고체 촬상 장치, 화소 신호를 독출하는 방법, 화소를 사용 용도로 하고, 다중화된 글로벌 셔터의 동작이 가능한 고체 촬상 장치, 어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이로부터 화소 신호를 독출하는 방법, 혹은 다중화된 셔터의 동작이 가능한 화소를 제공할 수가 있는 것이다.
1…고체 촬상 장치 3…화소 어레이
11, 12a, 12b…화소
11a…광전 변환 소자 11b…화소 회로
S1, S2, S(pixel)…화소 신호
C…칼럼선
5…칼럼 신호 처리부
15…칼럼 신호 처리 회로
9…신호 처리부
CTP1, CTP2, CTP3…전하 전송 경로
SD, SD1, SD23…축적 다이오드

Claims (9)

  1. 고체 촬상 장치로서,
    어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이와,
    상기 화소를 제어하기 위한 제1, 제2, 제3의 제어 신호를 생성하는 제어 회로와,
    상기 화소 어레이로부터의 제1 및 제2의 화소 신호를 한 프레임에 있어서 독출하는 독출 회로와,
    상기 독출 회로로부터의 신호를 처리하는 신호 처리부를 구비하고,
    각 화소는,
    받은 광으로부터 전기 신호를 생성하는 광전 변환 소자와,
    상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 부유 반도체 영역과,
    상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제1의 전하 전송 경로와,
    상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제2의 전하 전송 경로와,
    상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전위에 따른 신호를 제공하는 출력부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2의 전하 전송 경로의 일방은, 상기 제1의 제어 신호에 응답하여 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제1의 셔터 스위치와, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제1의 축적 다이오드와, 상기 제2의 제어 신호에 응답하여 상기 제1의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제1의 전송 스위치를 포함하고,
    상기 제1 및 제2의 전하 전송 경로의 타방은, 상기 제3의 제어 신호에 응답하여 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제2의 셔터 스위치를 포함하고,
    상기 제1의 화소 신호는, 상기 제1의 전하 전송 경로를 통해 상기 부유 반도체 영역에 전송된 제1의 전송 전하에 대응하고,
    상기 제2의 화소 신호는, 상기 제2의 전하 전송 경로를 통해 상기 부유 반도체 영역에 전송된 제2의 전송 전하에 대응하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화소는, 상기 부유 반도체 영역을 리셋하는 리셋 스위치를 포함하고,
    상기 제어 회로는, 상기 리셋 스위치를 제어하는 리셋 신호를 생성하고,
    상기 제1의 화소 신호는, 상기 제1의 전송 전하에 대응한 제1 신호 레벨과, 상기 리셋 스위치에 의해 리셋된 상기 부유 반도체 영역의 전위에 대응한 제1 리셋 레벨을 포함하고,
    상기 제2의 화소 신호는, 상기 제2의 전송 전하에 대응한 제2 신호 레벨과, 상기 리셋 스위치에 의해 리셋된 상기 부유 반도체 영역의 전위에 대응한 제2 리셋 레벨을 포함하고,
    상기 독출 회로는, 상기 제1 및 제2의 화소 신호를 각각 샘플링하기 위한 제1 및 제2의 상관 이중 샘플링 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1의 전하 전송 경로를 통해 전송되는 전하의 축적을 위한 제1 축적 기간은, 상기 제2의 전하 전송 경로를 통해 전송되는 전하의 축적을 위한 제2 축적 기간보다 길고,
    상기 신호 처리부의 상기 출력 신호는, 상기 제1 및 제2의 화상 신호로부터 합성 화상 신호를 합성하는 신호 합성부를 포함하고,
    상기 합성 화상 신호는, 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 각각에 있어서의 다이내믹 레인지보다 넓은 다이내믹 레인지를 가지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 신호 처리부는, 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 일방을 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 타방과 비교하여, 상기 제1 및 제2의 화상 신호의 비교 결과를 나타내는 비교 신호를 제공하는 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광전 변환 소자로부터 상기 제1의 축적 다이오드에 전송되는 전하를 생성하기 위한 제1의 축적 기간은, 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 전송되는 전하를 생성하기 위한 제2의 축적 기간에 실질적으로 동일하고,
    상기 신호 처리부는, 상기 제1의 화소 신호와 상기 제2의 화소 신호의 차분에 대응하는 신호를 생성하는 차분 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2의 전하 전송 경로의 타방은, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제2의 축적 다이오드와, 제4의 제어 신호에 응답하여 상기 제2의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제2의 전송 스위치를 포함하고,
    상기 제2의 전송 스위치는, 상기 부유 반도체 영역과 상기 제2의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속되고,
    상기 제2의 셔터 스위치는, 상기 광전 변환 소자와 상기 제2의 축적 다이오드의 상기 일단과의 사이에 접속되고,
    상기 제1의 셔터 스위치는, 상기 광전 변환 소자와 상기 제1의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속되고,
    상기 제1의 전송 스위치는, 상기 제1의 축적 다이오드의 상기 일단과 상기 부유 반도체 영역의 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화소는 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제3의 전하 전송 경로를 더 구비하고,
    상기 제3의 전하 전송 경로는, 제5의 제어 신호에 응답하여 상기 광전 변환 소자로부터의 전하 전송을 제어하는 제3의 셔터 스위치와, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제3의 축적 다이오드와, 제6의 제어 신호에 응답하여 상기 제3의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제3의 전송 스위치를 포함하고,
    상기 신호 처리부는, 상기 화소 어레이로부터의 제3의 화소 신호를 독출하고,
    상기 제3의 화소 신호는, 상기 제3의 전하 전송 경로를 통해 상기 부유 반도체 영역에 전송된 전하에 대응하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 장치.
  8. 어레이 형상으로 배열된 복수의 화소를 포함하는 화소 어레이로부터 화소 신호를 독출하는 방법으로서, 당해 방법은,
    상기 화소 어레이에 있어서의 화소의 각각에 있어서의 광전 변환 소자를 이용하여 프레임 기간 내의 제1의 축적 기간에 제1의 전하 축적을 행하는 스텝과,
    상기 제1의 전하 축적에 있어서의 전하를 상기 화소에 있어서의 제1의 전하 전송 경로를 통해 상기 화소에 있어서의 부유 반도체 영역에 전송하기 위해서, 이 전하를 상기 제1의 전하 전송 경로 내의 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적하는 스텝과,
    상기 광전 변환 소자를 이용하여 상기 프레임 기간 내의 제2의 축적 기간에 제2의 전하 축적을 행하는 스텝과,
    상기 화소의 제2의 전하 전송 경로를 통해 상기 제2의 전하 축적에 있어서의 전하를 상기 부유 반도체 영역에 전송함과 아울러, 상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전송 전하량에 따른 화소 신호를 칼럼선에 제공하는 스텝과,
    상기 칼럼선 상의 상기 화소 신호를 독출하는 스텝과,
    상기 제1의 축적 다이오드에 일시적으로 축적된 전하를 상기 부유 반도체 영역에 전송함과 아울러, 상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전송 전하량에 따른 다른 화소 신호를 칼럼선에 제공하는 스텝과,
    상기 칼럼선 상의 상기 다른 화소 신호를 독출하는 스텝과,
    상기 화소 신호 및 상기 다른 화소 신호를 처리하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 화소 신호를 독출하는 방법.
  9. 고체 촬상 장치를 위한 화소로서,
    받은 광으로부터 전기 신호를 생성하는 광전 변환 소자와,
    상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 부유 반도체 영역과,
    상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제1의 전하 전송 경로와,
    상기 제1의 전하 전송 경로와 다르고 상기 광전 변환 소자로부터 상기 부유 반도체 영역에 이르는 제2의 전하 전송 경로와,
    상기 부유 반도체 영역에 있어서의 전위에 따른 신호를 제공하는 출력부를 포함하고,
    상기 제1의 전하 전송 경로는, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제1의 셔터 스위치와, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하를 축적하는 제1의 축적 다이오드와, 상기 제1의 축적 다이오드로부터 상기 부유 반도체 영역으로의 전하 전송을 제어하는 제1의 전송 스위치를 포함하고,
    상기 제2의 전하 전송 경로는, 상기 광전 변환 소자로부터의 전하의 전송을 제어하는 제2의 셔터 스위치를 포함하고,
    상기 제1의 셔터 스위치는, 상기 광전 변환 소자와 상기 제1의 축적 다이오드의 일단과의 사이에 접속되고,
    상기 제1의 전송 스위치는, 상기 제1의 축적 다이오드의 상기 일단과 상기 부유 반도체 영역의 사이에 접속되는 것을 특징으로 하는 화소.
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